JPH10332895A - Cold neutron focusing device - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、中性子ビーム装置
に関し、特に、中性子ビームを集束させる、あるいは、
平行にする（コリメートする）のに用いられる光学系に
関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a neutron beam device, and more particularly to a neutron beam focusing or neutron beam device.
The present invention relates to an optical system used for collimating (collimating).
【０００２】[0002]
【従来の技術】冷（長波長）中性子源は、分析、商用、
および医療のさまざまなアプリケーションに用いられ
る。冷中性子源（ＣＮ(cold neutron)源ともいう。）
は、２２００ｍ／ｓ以下のオーダーの速度で、一般に
０．２〜１０ｎｍのスペクトルレンジの波長の中性子を
提供する。冷（長波長、すなわち、０．２〜１０ｎｍ）
中性子は、貫通性が高く、大深度の中性子曝露を必要と
するバルクアプリケーションで有用である。ＣＮ放射は
顕微鏡でも用いられるが、分解能は電子顕微鏡やＸ線顕
微鏡より低い。中性子分析における中性子の光学断面積
は原子核によって支配される。これは、電子殻構造によ
って変化を受ける電子ビームやＸ線ビームとは対照的で
ある。従って、中性子ビームは、顕微鏡において異なる
構造的視野を有し、新たな方向を加える。2. Description of the Related Art Cold (long wavelength) neutron sources are available in analytical, commercial,
And used for various medical applications. Cold neutron source (also called CN (cold neutron) source)
Provides neutrons at wavelengths on the order of 2200 m / s or less, typically in the spectral range of 0.2 to 10 nm. Cold (long wavelength, ie 0.2-10 nm)
Neutrons are highly penetrating and are useful in bulk applications requiring deep neutron exposure. CN radiation is also used in microscopes, but at lower resolution than electron and X-ray microscopes. The neutron optical cross section in neutron analysis is governed by nuclei. This is in contrast to an electron beam or X-ray beam that changes depending on the electron shell structure. Thus, the neutron beam has a different structural field of view in the microscope, adding a new direction.
【０００３】高いビーム強度を有する中性子ビーム設備
が稼働し始めており、さまざまの重要な新しい貴重なア
プリケーションが期待される。中性子放射化分析は、材
料サンプルに中性子ビームを照射して中性子スピンの性
質を検出するものであるが、広く用いられており、物質
の組成を決定するための重要な技術である。高度に集束
したＣＮビームで、顕微鏡的サンプル、およびサンプル
の顕微鏡的領域を分析することができる。小さい面積に
わたる組成の空間変動が分解される。[0003] Neutron beam facilities with high beam intensities are starting to operate, and various important new and valuable applications are expected. Neutron activation analysis, which irradiates a material sample with a neutron beam to detect the nature of neutron spin, is widely used and is an important technique for determining the composition of a substance. A highly focused CN beam can analyze a microscopic sample, and microscopic areas of the sample. Spatial variations in composition over small areas are resolved.
【０００４】半導体デバイス製造において、ＣＮ源は、
欠陥分析および不純物プロフィール分析のための半導体
結晶構造の非破壊試験に用いられる。半導体結晶におけ
る歪み分布はＣＮ分析により明らかにされ、半導体レー
ザの設計および製造においてデバイス寿命を予測するた
めに用いられる。高い強度を有し高度に集束したビーム
は、これらの分析において空間分解能および検出限界の
両方を改善する。In the manufacture of semiconductor devices, CN sources are:
Used for non-destructive testing of semiconductor crystal structures for defect analysis and impurity profile analysis. The strain distribution in the semiconductor crystal is revealed by CN analysis, and is used to design the lifetime of the semiconductor laser in the design and manufacture. Highly focused and highly focused beams improve both spatial resolution and detection limit in these analyses.
【０００５】ＣＮビームは、医療において、異常組織治
療に用いられる。照射時間を短くするため、高いフラッ
クスのビームが好ましく、隣接する健康な組織の被曝を
少なくするには、高度に局所化したビームが有利であ
る。これらおよびその他のアプリケーションにおいて、
いくつかは完全に実現されていないが、ＣＮツールの有
用性は通常、ビームの強度、および、ビーム方向の制
御、すなわち、ＣＮビームを集束させる能力に正比例す
る。現在、原子炉（連続）およびスパレーション（パル
ス）の冷中性子源はいずれも、非常に低いフルエンスし
かない。この事実は、ほとんどのアプリケーションにお
けるＣＮ装置の有用性を強く制限する。[0005] The CN beam is used in medical treatment for treating abnormal tissues. High flux beams are preferred for short irradiation times, and highly localized beams are advantageous for reducing exposure of adjacent healthy tissue. In these and other applications,
Although some have not been fully realized, the usefulness of a CN tool is usually directly proportional to beam intensity and beam direction control, ie, the ability to focus the CN beam. Currently, both cold reactors in reactors (continuous) and spallations (pulsed) have very low fluence. This fact severely limits the usefulness of CN devices in most applications.
【０００６】ビームを集束させ中性子フラックス密度を
増大させるため、および、ビームの取り扱いを簡単にす
るために、ＣＮビームレンズ要素が求められてきた。レ
ンズ要素はまた、次の２つの場合に、中性子ビームの角
発散を修正するのにも重要となりうる。第１に、冷中性
子源を導管と整合させる場合である。この場合、発散
を、内部全反射の臨界角と一致させる必要がある。第２
に、ビーム発散が重要な問題となる散乱アプリケーショ
ンの場合である。この場合、レンズは、無限遠補正レン
ズと同様に、ピンホールなどのビーム源からのビーム発
散を縮小するために用いられる。[0006] In order to focus the beam to increase the neutron flux density and to simplify the handling of the beam, a need has arisen for a CN beam lens element. Lens elements can also be important in modifying the angular divergence of a neutron beam in two cases: First, the cold neutron source is aligned with the conduit. In this case, it is necessary to make the divergence coincide with the critical angle of total internal reflection. Second
Another is the case in scattering applications where beam divergence is an important issue. In this case, the lens is used to reduce the beam divergence from a beam source such as a pinhole, like the infinity correction lens.
【０００７】ＣＮビームを集束させるための努力はあま
り実を結んでいない。現在までのところ最もよい結果
は、反射光学系に基づくレンズおよびコリメータであ
る。知られているように、中性子は、さまざまな材料か
らほぼ全反射を受ける。臨界角は一般に非常に大きいた
め、ライトガイド法に基づくビーム方向転換装置が得ら
れる。この種の広く用いられている装置は、キャピラリ
ーガイドのアレイ（Kumakhovレンズともいう。）と、ス
ーパーミラー被覆導管である。キャピラリーは一般にガ
ラスまたはプラスチックであり、キャピラリーの内側を
中性子反射材料（例えばニッケル）で被覆したものであ
る。キャピラリーは、できるだけ多くの線源ビームを捕
捉するように、密に束ねられた平行束状に配列される。
この場合、実際には、線源は複数のビーム源となる。キ
ャピラリーは、束の軸に関して内側に曲げられ、複数の
ビームのそれぞれが共通の焦点に集束する。このような
システムについてさらに詳細には、例えば、 ・米国特許第５，４９７，００８号（発行日：１９９６
年３月５日） ・M. A. Kumakhov and V. A. Sharov, "A neutron len
s", Nature, Vol.357, 4 June 1992, pp.390-393 ・H. Chen et al., "Neutron focusing lens using pol
ycapillary fibers", Appl. Phys. Lett. 64 (16), 18
April 1994, pp.2068-2070 ・Q. F. Xiao et al., "Neutron focusing optic for s
ubmillimeter materials analysis", Rev. Sci. Instru
m. 65 (11), November 1994, pp.3399-3402に記載され
ている。[0007] Efforts to focus the CN beam have been less successful. The best results to date are lenses and collimators based on reflective optics. As is known, neutrons receive near total internal reflection from various materials. Since the critical angle is generally very large, a beam redirector based on the light guide method is obtained. Widely used devices of this type are arrays of capillary guides (also called Kumaghov lenses) and supermirror-coated conduits. The capillary is generally made of glass or plastic, and the inside of the capillary is coated with a neutron reflecting material (for example, nickel). The capillaries are arranged in a tightly packed parallel bundle to capture as many source beams as possible.
In this case, the source is actually a plurality of beam sources. The capillaries are bent inward with respect to the axis of the bundle, and each of the multiple beams focuses on a common focal point. For more details on such systems, see, for example: US Pat. No. 5,497,008 (issued on 1996
・ MA Kumakhov and VA Sharov, "A neutron len
s ", Nature, Vol.357, 4 June 1992, pp.390-393 ・ H. Chen et al.," Neutron focusing lens using pol
ycapillary fibers ", Appl. Phys. Lett. 64 (16), 18
April 1994, pp.2068-2070 ・ QF Xiao et al., "Neutron focusing optic for s
ubmillimeter materials analysis ", Rev. Sci. Instru
m. 65 (11), November 1994, pp. 3399-3402.
【０００８】中性子光学は、中性子ビームの集束を除く
（拡大する）のにも重要である。中性子小散乱の例は、
２次元中性子検出器の固定された（そして光学的には小
さくない）空間分解能によって分解能が制限される場合
である。検出器の面で信号の空間変動を最適化するため
に拡大レンズを用いることが可能である。[0008] Neutron optics is also important for defocusing (expanding) a neutron beam. An example of small neutron scattering is
This is the case when the resolution is limited by the fixed (and not optically small) spatial resolution of the two-dimensional neutron detector. It is possible to use a magnifying lens to optimize the spatial variation of the signal at the detector.
【０００９】[0009]
【発明が解決しようとする課題】上記の文献に記載され
ている装置、およびその他の、すれすれの入射角の中性
子の反射に基づく集束装置は、一般に製造が困難かつ高
価である。さらに、おそらくはより重要なことである
が、既に低フラックスの線源ビームのかなりの部分が、
キャピラリー間の未使用空間によって失われるため、上
記のような従来の装置は非効率的である。キャピラリー
の壁の厚さが０で、キャピラリーが六方最密形に配列さ
れるという理想モデルでも、間隙空間による損失は９．
３％であるが、壁の厚さおよび内壁反射被覆の厚さを考
慮に入れると（典型的な壁の厚さは理想直径（ＯＤ）の
少なくとも２０％である。）、間隙損失は５０％近くに
なる。この大きい損失ファクタは、屈折光学レンズであ
れば除去することが可能であろうが、現在までのところ
そのようなレンズは存在しない。The devices described in the above references and other focusing devices based on neutron reflection at grazing angles of incidence are generally difficult and expensive to manufacture. In addition, and perhaps more importantly, a significant portion of the already low flux source beam,
Conventional devices such as those described above are inefficient because they are lost by unused space between capillaries. Even in an ideal model in which the capillary wall thickness is 0 and the capillaries are arranged in a hexagonal close-packed form, the loss due to the interstitial space is 9.
3%, but taking into account the wall thickness and the thickness of the inner wall reflective coating (typical wall thickness is at least 20% of the ideal diameter (OD)), the gap loss is 50%. Get closer. This large loss factor could be eliminated with refractive optical lenses, but to date no such lens exists.
【００１０】[0010]
【課題を解決するための手段】本発明の発明者は、屈折
光学に基づく冷中性子レンズを製造することに成功し
た。このレンズは、３〜３００個の薄い集束レンズ要素
を用いて冷中性子ビームを屈折させ効果的に集束させる
複合システムである。屈折光学を用いることにより、既
知の屈折レンズ設計原理および標準的な設計ソフトウェ
アを使用することが可能となる。この屈折光学レンズ
は、従来技術のほとんどの一般的な反射レンズに固有の
大きい間隙損失を除去し、また、屈折レンズの吸収によ
る損失はあるが、それは他の既知のＣＮレンズ装置に固
有の損失よりもずっと小さい。本発明による新しい中性
子レンズは、既存のＣＮアプリケーション（そのうちの
いくつかについては既に述べた。）で使用可能である。
さらに、本発明による中性子レンズは、光学顕微鏡の設
計で用いられるのと同様の屈折原理に基づく新たな形式
の中性子顕微鏡にも使用可能である。The inventor of the present invention has succeeded in manufacturing a cold neutron lens based on refractive optics. This lens is a complex system that uses 3 to 300 thin focusing lens elements to refract and effectively focus the cold neutron beam. The use of refractive optics allows the use of known refractive lens design principles and standard design software. This refractive optical lens eliminates the large gap loss inherent in most common reflective lenses of the prior art, and there is a loss due to the absorption of the refractive lens, which is inherent in other known CN lens devices. Much smaller than. The new neutron lenses according to the present invention can be used in existing CN applications, some of which have already been mentioned.
Furthermore, the neutron lens according to the invention can be used in new types of neutron microscopes based on the same principle of refraction as used in the design of optical microscopes.
【００１１】[0011]
【発明の実施の形態】本発明の原理を実証するため、図
１に概略を示すように配置された薄肉レンズの列（アレ
イ）からなるＣＮ屈折レンズ系を構成した。図では、レ
ンズホルダ１８内に５個の凹レンズ要素１１が示されて
いる。１次のオーダーまでで、所望の全焦点距離に対し
て、レンズ要素の数は、各要素の中性子焦点距離に依存
する。全焦点距離はｆ＝ｆ0／ｎである。ただし、ｎは
アレイ中の要素数であり、ｆ0は単一レンズの焦点距離
である。また、設計の際に考慮すべきなのは、各要素の
中性子吸収である。ｎ個の要素による全吸収が、システ
ム設計に対する許容範囲内にあるようにする。以下で説
明するように、適当な材料の選択により、全吸収は、適
度な限界内にとどめることができる。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In order to demonstrate the principle of the present invention, a CN refracting lens system comprising an array of thin lenses arranged as schematically shown in FIG. 1 was constructed. In the figure, five concave lens elements 11 are shown in a lens holder 18. Up to the first order, for a desired total focal length, the number of lens elements depends on the neutron focal length of each element. The total focal length is f = f 0 / n. Where n is the number of elements in the array and f 0 is the focal length of a single lens. Also, what should be considered when designing is the neutron absorption of each element. Ensure that the total absorption by the n elements is within the tolerance for the system design. As explained below, by appropriate choice of materials, the total absorption can be kept within reasonable limits.
【００１２】中性子屈折率は、レンズの材料の原子核の
みの性質である。一般に、原子核の小さい（すなわち、
原子量の小さい元素の）材料のほうが有効である。この
ような元素の同位体も使用可能である。The neutron refractive index is a property of only the nucleus of the lens material. In general, small nuclei (ie,
Materials (of lower atomic weight) are more effective. Isotopes of such elements can also be used.
【００１３】図１で、レンズ要素は両凹形として図示さ
れているが、平凹要素も使用可能である。これは、与え
られた焦点距離に対して、要素数が２倍になってしまう
代わりに、レンズ材料の処理を簡単化する可能性があ
る。また、レンズ要素は、放物形として図示されている
が、他の凹形状（例えば球面）も同様に使用可能であ
る。円柱形状により１次元集束も実現される。レンズ要
素の半径Ｒは適度に小さく、２５〜５０ｍｍの範囲が好
ましい。レンズの厚さ（レンズ軸上で測定し図１の寸法
ｘで示されるもの）もまたなるべく小さくして、各レン
ズ要素を通るビームの光路を最小にするとともに吸収損
失を最小にする。中性子の集束を除く（拡大する）に
は、凸形状を使用可能である。In FIG. 1, the lens elements are shown as biconcave, but plano-concave elements can also be used. This may simplify the processing of the lens material at the expense of doubling the number of elements for a given focal length. Also, while the lens element is shown as parabolic, other concave shapes (eg, spherical) can be used as well. One-dimensional focusing is also realized by the cylindrical shape. The radius R of the lens element is appropriately small and preferably in the range of 25 to 50 mm. The thickness of the lens (as measured on the lens axis and indicated by dimension x in FIG. 1) is also minimized to minimize the beam path through each lens element and minimize absorption losses. To remove (enlarge) the neutron focusing, a convex shape can be used.
【００１４】説明を簡単にするため、図１のレンズは５
個の単純な凹レンズ要素として図示されている。本発明
を実証するために実際に用いた系では、３０個のＭｇＦ
2結晶両凹レンズ要素を１列にして用いた。ここで説明
するレンズでは、レンズ材料は小さい負の相対屈折率ｎ
−ｎ0を有する。ただしｎは屈折率であり、ｎ0は真空の
屈折率（公称１）である。従って、集束要素は、光波長
で集光に用いられる通常の凸レンズではなく、凹レンズ
となる。凹レンズ要素は、対称形であり、直径ｄは２５
ｍｍ、半径Ｒは２５ｍｍ、エッジフラットｔは０．５ｍ
ｍ、焦点距離ｆ 0は１５０ｍであった。レンズ全体は、
１０オングストロームでの冷中性子源を用いた場合、焦
点距離は５ｍであった。実証系のレンズ要素は、図示の
ようにエッジフラットｔで支持された。For simplicity, the lens of FIG.
Are shown as simple concave lens elements. The present invention
In the system actually used to demonstrate
TwoCrystal biconcave lens elements were used in one row. Explained here
Lens, the lens material has a small negative relative refractive index n
-N0Having. Where n is the refractive index and n0Is a vacuum
Refractive index (nominal 1). Therefore, the focusing element is
A concave lens instead of the usual convex lens used for focusing
Becomes The concave lens element is symmetric and has a diameter d of 25
mm, radius R is 25 mm, edge flat t is 0.5 m
m, focal length f 0Was 150 m. The whole lens
When using a cold neutron source at 10 angstroms,
The point distance was 5 m. Demonstration lens elements are shown
As shown in FIG.
【００１５】光学の当業者には理解されるように、本発
明を実証するのに用いたレンズは比較的簡単な構成であ
り、中性子光学に最適化した場合、少ない集束要素しか
必要としない。さらに、商用装置のレンズ設計では、さ
まざまな種類のレンズ要素（例えば、集束要素および拡
大要素）により、大開口を提供し、歪みおよび色収差を
縮小することが可能である。集束と色収差の間のトレー
ドオフを考慮して、相異なる中性子屈折率（正負とも）
のレンズ要素、すなわち、相異なる材料のレンズ要素も
使用可能である。重力による歪みは、中性子光学では周
知の効果であり、最適なレンズ設計では重力効果を考慮
に入れることになる。現在の望遠鏡設計と同様に、移動
可能なレンズを用いて信号に対する適応的調整を行うこ
とも可能である。以上およびその他の考察から、商用実
施例におけるレンズの数は広範囲（例えば３〜３００個
の要素）に広がりうるが、一般には、集束要素の数は小
さい範囲（例えば３〜３０個の要素）に入る。As will be appreciated by those skilled in the art of optics, the lenses used to demonstrate the present invention are relatively simple in construction, and require only a few focusing elements when optimized for neutron optics. Further, in commercial device lens designs, various types of lens elements (eg, focusing and magnifying elements) can provide large apertures and reduce distortion and chromatic aberration. Different neutron refractive indices (both positive and negative), taking into account the trade-off between focusing and chromatic aberration
Lens elements, i.e. lens elements of different materials, can also be used. Distortion due to gravity is a well-known effect in neutron optics, and optimal lens design will take into account gravitational effects. As with current telescope designs, it is also possible to make adaptive adjustments to the signal using a movable lens. From the above and other considerations, the number of lenses in commercial embodiments can be spread over a wide range (eg, 3 to 300 elements), but generally the number of focusing elements is reduced to a small range (eg, 3 to 30 elements). enter.
【００１６】レンズ要素に用いられる材料は、中性子吸
収の低い材料であり、その例を以下の表に掲げる。これ
らの材料は、性能示数（ＦＯＭ）で順序づけられてい
る。この性能示数は、束縛干渉性散乱長(bound coheren
t scattering length)ｂc（単位はフェムトメートル
（ｆｍ））の、吸収散乱断面積σa（単位はバーン（＝
１００ｆｍ2）に対する比である。ｂcおよびσaはいず
れも、２２００ｍ／ｓｅｃの熱中性子に対して測定した
ものである。同位体（アスタリスク（＊）で示す。）の
場合、ＦＯＭには、自然存在比に対する同位体純度（こ
れは、記載した断面積を達成するのに必要である。）の
１０分の１を乗じてある。表には、ｂc＞５ｆｍ、σa＜
０．１バーン、存在比＞５％（原子量（ＡＷ）＞４０の
場合）、およびＦＯＭ＞１０の核種のみを含めている。
非干渉性散乱長ｂcが０．１ｆｍより大きい材料は、プ
ラス記号（＋）で示している。このような材料は、偏極
中性子での使用には適さない可能性がある。中性子屈折
率ｎは、束縛干渉性散乱断面積(bound coherent scatte
ring cross section)から、ｎ−１＝−（４π／２ｋ2）
ρｂcとして導出される。この式で、ｋ＝２π／λであ
り、λは中性子の波長であり、ρは材料内の原子核の密
度である。The material used for the lens element is a material having low neutron absorption, examples of which are listed in the following table. These materials are ordered by performance index (FOM). This performance index is the bound coheren scattering length.
t scattering length) b c (unit femtometers (fm) of) the absorption scattering cross section sigma a (unit Bahn (=
100 fm 2 ). Both b c and sigma a, is measured with respect to thermal neutrons of 2200 m / sec. In the case of isotopes (indicated by an asterisk (*)), the FOM is multiplied by one-tenth of the isotopic purity relative to the natural abundance, which is necessary to achieve the stated cross-sectional area. It is. In the table, b c > 5fm and σ a <
Only nuclides with 0.1 burn, abundance> 5% (atomic weight (AW)> 40), and FOM> 10 are included.
Incoherent scattering length b c is 0.1fm larger material is indicated by a plus sign (+). Such materials may not be suitable for use with polarized neutrons. The neutron index of refraction n is the bound coherent scatte
From the ring cross section), n-1 =-(4π / 2k 2 )
It is derived as ρb c. In this equation, k = 2π / λ, λ is the neutron wavelength, and ρ is the density of nuclei in the material.
【００１７】[0017]
【表１】 [Table 1]
【００１８】この表からわかるように、これらの材料の
性能示数は、吸収損失によって支配される。例えば、マ
グネシウムは、中性子に対する好ましい屈折率を有する
が、損失が大きいため、ＦＯＭは大きくはない。ＭｇＦ
2を用いて本発明を実証することができたが、よりよい
選択を上の表から行うことも可能である。炭素は、ダイ
ヤモンドまたはグラファイトの形で用いることが可能で
ある。炭素と酸素の組合せを、炭化水素の形で（例えば
ベンゼン結晶）用いることが可能である。窒素およびフ
ッ素を炭化水素で用いることが可能である。ベリリウム
は、単体で、または酸化物もしくは窒化物として用いる
ことが可能である。フッ素は上記のようにＭｇＦ2とし
て用いることが可能である。酸素および窒素は、酸化物
または窒化物（例えばＭｇＯ）として用いることが可能
である。As can be seen from the table, the performance index of these materials is governed by absorption losses. For example, magnesium has a favorable index of refraction for neutrons, but the FOM is not large because of the large losses. MgF
Although the invention could be demonstrated with 2 , better choices can be made from the table above. Carbon can be used in the form of diamond or graphite. Combinations of carbon and oxygen can be used in the form of hydrocarbons (eg, benzene crystals). Nitrogen and fluorine can be used in the hydrocarbon. Beryllium can be used alone or as an oxide or nitride. Fluorine can be used as MgF 2 as described above. Oxygen and nitrogen can be used as oxides or nitrides (eg, MgO).
【００１９】結晶材料は、ブラッグ反射から離れた一般
に低い散漫散乱のため、好ましい。非干渉性散乱断面積
が小さい核種もまた低い散漫散乱を示し、偏極中性子源
を用いた系に特に適していると考えられる。Crystalline materials are preferred because of their generally low diffuse scattering away from Bragg reflections. Nuclides with small incoherent scattering cross sections also exhibit low diffuse scattering and are considered particularly suitable for systems using polarized neutron sources.
【００２０】既に指摘したように、本発明の材料では、
中性子に対する負の屈折率により、集束レンズ要素は凹
形になる。これは、吸収によって支配される光学系では
重要な利点である。その理由は、中性子ビームのうち光
軸付近を通る部分がほとんど減衰されないので、ビーム
を集束させる目的と一致しているためである。レンズの
焦点面におけるフラックスプロフィールは、必要に応じ
て、焦点に集中する。As already pointed out, in the material of the present invention,
The negative index of refraction for neutrons makes the focusing lens element concave. This is an important advantage in optical systems dominated by absorption. The reason is that the portion of the neutron beam passing near the optical axis is hardly attenuated, which is consistent with the purpose of focusing the beam. The flux profile at the focal plane of the lens is concentrated at the focal point, if necessary.
【００２１】上記の表の材料は単なる例示である。多く
の他の材料も使用可能である。それほど好適ではない
が、薄い壁のガラスまたはプラスチックのレンズ形の容
器内の液体を用いることも可能である。このような液体
の例には、Ｈ2Ｏ、アルコール、および、ＨＦ、Ｈ2ＣＯ
3のような酸がある。The materials in the above table are merely exemplary. Many other materials can be used. Although less preferred, it is also possible to use liquids in thin-walled glass or plastic lens-shaped containers. Examples of such liquids include H 2 O, alcohols, and HF, H 2 CO
There are three types of acids.
【００２２】上記の材料の同位体も使用可能である。例
えば、重水素化ベンゼンは、相対的に高い性能示数を有
する。波長範囲０．２〜１０ｎｍの中性子に対する共鳴
断面積を有する核種（例えば113Ｃｄ）を用いることに
より良好な性質を得ることも可能である。Isotopes of the above materials can also be used. For example, deuterated benzene has a relatively high performance index. Good properties can also be obtained by using a nuclide (for example, 113 Cd) having a resonance cross section for neutrons in a wavelength range of 0.2 to 10 nm.
【００２３】本発明に好ましい材料は、冷中性子吸収
（本発明の目的では１０オングストロームの中性子の吸
収として規定される）が１０-1バーン以下であり、２２
００ｍ／ｓｅｃの中性子に対する束縛干渉散乱断面積が
３ｆｍ以上であるものである。また、好ましい材料は、
上記の表で用いた性能示数によって、２２００ｍ／ｓｅ
ｃの中性子を用いて測定した中性子吸収に対する束縛干
渉性散乱断面積の比が１０-1ｆｍ-1より大きい（好まし
くは１ｆｍ-1より大きい）材料として、定義することも
可能である。Preferred materials for the present invention have a cold neutron absorption (defined for the purpose of the present invention as the absorption of neutrons of 10 angstroms) of 10 -1 barn or less, and 22
The bound interference scattering cross section for neutrons of 00 m / sec is 3 fm or more. Preferred materials are
According to the performance index used in the above table, 2200 m / sec
The ratio of bound coherent scattering cross section for neutron absorption, which was measured using the neutron c is greater than 10 -1 fm -1 (preferably 1 fm -1 larger) as the material, it is also possible to define.
【００２４】図１のレンズを用いた代表的なシステムを
図２に示す。図示のように、冷中性子源１２は、ピンホ
ール１３、開口１４、およびレンズアレイ１７を有す
る。サンプル１５は、図示のように焦点に配置すること
が可能であり、あるいは、当業者に周知のようにレンズ
の前に配置することが可能である。散乱された中性子ビ
ームを検出する装置は１６に示されている。屈折レンズ
１１を除いては、これらのすべての要素はこの技術分野
で標準的なものであり、例えば上記のKumakhovレンズ系
のような反射系で用いられているものである。FIG. 2 shows a typical system using the lens of FIG. As shown, the cold neutron source 12 has a pinhole 13, an opening 14, and a lens array 17. Sample 15 can be placed at the focal point as shown, or it can be placed in front of the lens, as is well known to those skilled in the art. An apparatus for detecting the scattered neutron beam is shown at 16. With the exception of the refractive lens 11, all of these elements are standard in the art and are used in reflective systems, such as the Kumachov lens system described above.
【００２５】上記のシステムは、１０オングストローム
中性子ビームを集束させ、ピンホール光学系に比べて２
０倍以上の利得を提供することが可能である。利得は、
レンズを用いずに、すなわち、コリメーティングピンホ
ールあるいはスリットを用いて得られる強度と比較し
た、焦点における強度として定義される。本発明の目的
は、屈折レンズによって得られる利得が少なくとも２で
ある場合に達成される。The system described above focuses a 10 angstrom neutron beam, which is two times smaller than pinhole optics.
It is possible to provide a gain of zero or more. The gain is
It is defined as the intensity at the focal point compared to the intensity obtained without a lens, ie with a collimating pinhole or slit. The object of the invention is achieved if the gain obtained by the refractive lens is at least 2.
【００２６】[0026]
【発明の効果】以上述べたごとく、本発明によれば、屈
折光学に基づく冷中性子レンズが実現される。屈折光学
を用いることにより、既知の屈折レンズ設計原理および
標準的な設計ソフトウェアを使用することが可能とな
る。この屈折光学レンズは、従来技術のほとんどの一般
的な反射レンズに固有の大きい間隙損失を除去し、ま
た、屈折レンズの吸収による損失はあるが、それは他の
既知のＣＮレンズ装置に固有の損失よりもずっと小さ
い。As described above, according to the present invention, a cold neutron lens based on refractive optics is realized. The use of refractive optics allows the use of known refractive lens design principles and standard design software. This refractive optical lens eliminates the large gap loss inherent in most common reflective lenses of the prior art, and there is a loss due to the absorption of the refractive lens, which is inherent in other known CN lens devices. Much smaller than.
【図１】本発明の原理によって構成された多要素レンズ
の概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram of a multi-element lens constructed according to the principles of the present invention.
【図２】図１のレンズを用いた冷中性子集束システムの
概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a cold neutron focusing system using the lens of FIG. 1;
１１ 凹レンズ要素 １２ 冷中性子源 １３ ピンホール １４ 開口 １５ サンプル １６ 検出装置 １７ レンズアレイ １８ レンズホルダ DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Concave lens element 12 Cold neutron source 13 Pinhole 14 Aperture 15 Sample 16 Detector 17 Lens array 18 Lens holder
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 596077259 600 Ｍｏｕｎｔａｉｎ Ａｖｅｎｕｅ, Ｍｕｒｒａｙ Ｈｉｌｌ， Ｎｅｗ Ｊｅ ｒｓｅｙ 07974−0636Ｕ．Ｓ．Ａ. (72)発明者 ピーター レデル ガンメル アメリカ合衆国，07041 ニュージャージ ー，ミルバーン，ホワイティンガム テラ ス 58 (72)発明者 エリック ディー．イザークス アメリカ合衆国，07078 ニュージャージ ー，ショート ヒルズ，パーク ロード 16 (72)発明者 フィリップ モス プラッツマン アメリカ合衆国，07078 ニュージャージ ー，ショート ヒルズ，アディソン ドラ イブ 80 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (71) Applicant 596077259 600 Mountain Avenue, Murray Hill, New Jersey 07974-0636 U.S.A. S. A. (72) Inventor Peter Redell Gummel, United States, 07041 New Jersey, Milburn, Whiteningham Terras 58 (72) Inventor Eric D. Isaacs United States, 07078 New Jersey, Short Hills, Park Road 16 (72) Inventor Philip Moss Platzman United States, 07078 New Jersey, Short Hills, Addison Drive 80
Claims (19)
中性子ビームを放出する中性子ビーム源と、 前記中性子ビームを屈折させることによって中性子を集
束させる集束手段とからなる冷中性子集束装置におい
て、 前記集束手段は屈折レンズからなり、 前記中性子ビーム源と前記屈折レンズは、前記中性子ビ
ームが前記屈折レンズを通ることにより屈折して集束す
るように配置されることを特徴とする冷中性子集束装
置。1. A cold neutron focusing apparatus comprising: a neutron beam source that emits a neutron beam having a wavelength in a range of 0.2 to 10 nm; and a focusing unit that focuses neutrons by refracting the neutron beam. The focusing means comprises a refractive lens, and the neutron beam source and the refractive lens are arranged so that the neutron beam is refracted and focused by passing through the refractive lens.
することを特徴とする請求項１に記載の装置。2. The apparatus according to claim 1, wherein said neutron beam is focused with a gain of 2 or more.
の中性子を用いて測定した中性子吸収が１０-1バーン以
下の材料からなることを特徴とする請求項２に記載の装
置。3. The refracting lens according to claim 2, wherein the refracting lens is 2200 m / sec.
3. The apparatus according to claim 2, wherein the apparatus comprises a material having a neutron absorption measured using neutrons of 10 -1 burn or less.
の中性子を用いて測定した束縛干渉性散乱断面積が３．
０ｆｍ以上の材料からなることを特徴とする請求項２に
記載の装置。4. The refracting lens according to claim 2, wherein the refracting lens is 2200 m / sec.
2. The bounded coherent scattering cross section measured using neutrons is 3.
3. The device according to claim 2, wherein the device is made of a material of 0fm or more.
の中性子を用いて測定した束縛干渉性散乱断面積の中性
子吸収に対する比が１０-1以上の材料からなることを特
徴とする請求項２に記載の装置。5. The lens according to claim 1, wherein the refractive lens is 2200 m / sec.
3. The apparatus according to claim 2, wherein the ratio of the bounded coherent scattering cross section measured by using neutrons to neutron absorption is 10 -1 or more.
要素からなることを特徴とする請求項１に記載の装置。6. The apparatus according to claim 1, wherein the refractive lens comprises 3 to 300 lens elements.
り、該集束レンズ要素は凹レンズ要素からなることを特
徴とする請求項６に記載の装置。7. The apparatus of claim 6, wherein said lens element comprises a focusing lens element, said focusing lens element comprising a concave lens element.
いくつかは両凹レンズ要素であることを特徴とする請求
項７に記載の装置。8. The apparatus of claim 7, wherein at least some of said focusing lens elements are biconcave lens elements.
ることを特徴とする請求項６に記載の装置。9. The apparatus according to claim 6, wherein said lens element comprises a cylindrical lens element.
なり、該拡大レンズ要素のうちの少なくともいくつかは
凸レンズ要素からなることを特徴とする請求項６に記載
の装置。10. The apparatus of claim 6, wherein said lens elements comprise magnifying lens elements, at least some of said magnifying lens elements comprising convex lens elements.
上の構成元素は、Ｏ、Ｎ、Ｈ、Ｃ、Ｂｅ、Ｆ、およびＭ
ｇからなる群から選択されることを特徴とする請求項６
に記載の装置。11. The one or more constituent elements of the lens material of the lens element are O, N, H, C, Be, F, and M
7. The method according to claim 6, wherein the element is selected from the group consisting of g.
An apparatus according to claim 1.
つのレンズ材料はＭｇＦ2からなることを特徴とする請
求項６に記載の装置。12. At least one of said lens elements
One is the lens material according to claim 6, characterized in that it consists of MgF 2.
率を有する相異なる材料からなることを特徴とする請求
項６に記載の装置。13. The apparatus of claim 6, wherein said lens elements are made of different materials having different neutron refractive indices.
子からなることを特徴とする請求項１に記載の装置。14. The apparatus according to claim 1, wherein the neutrons of the neutron beam comprise polarized neutrons.
いない中性子からなることを特徴とする請求項１に記載
の装置。15. The apparatus of claim 1, wherein the neutrons of the neutron beam comprise unpolarized neutrons.
あることを特徴とする請求項１に記載の装置。16. The apparatus according to claim 1, wherein said neutron source is a continuous beam neutron source.
であることを特徴とする請求項１に記載の装置。17. The apparatus according to claim 1, wherein said neutron source is a pulsed beam neutron source.
る中性子ビームを放出する中性子ビーム源と、 前記中性子ビームを屈折させることによって中性子を屈
折させる屈折レンズとからなる冷中性子屈折装置におい
て、 前記中性子ビーム源と前記屈折レンズは、前記中性子ビ
ームが前記屈折レンズを通ることにより屈折するように
配置されることを特徴とする冷中性子屈折装置。18. A cold neutron refraction device comprising: a neutron beam source that emits a neutron beam having a wavelength in the range of 0.2 to 10 nm; and a refraction lens that refracts the neutron by refracting the neutron beam. A cold neutron refraction device, wherein the neutron beam source and the refraction lens are arranged so that the neutron beam is refracted by passing through the refraction lens.
で屈折することを特徴とする請求項１８に記載の装置。19. The apparatus according to claim 18, wherein said neutron beam is refracted with a gain greater than one.
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